CN105795571B - 一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法 - Google Patents
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法，系统包括压力鞋鞋体、多个压力传感器（201）和电路控制板；所述的电路控制板包括ARM微处理器、惯性测量单元、电信号检测和放大电路、无线通信电路；所述的ARM微处理器对压力传感器（201）采集的数据进行处理，计算出穿戴者的重心位置以及所处的地面特性；同时，ARM微处理器对惯性测量单元采集的数据进行处理，计算出穿戴者的运动状态和步态。本发明能够识别外骨骼所处的地面特性，例如硬化水泥路、草坪等；为外骨骼控制系统提供地面信息，拓展了外骨骼的行走空间；同时能够检测外骨骼所自身处的运动状态（如坐立、站立、行走等状态）以及外骨骼行走时的行走步态，为外骨骼控制系统提供行走姿态数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统及方法。
背景技术
近年来，我国脊髓损伤患者和行动不便患者的数量正在增加，其中包括截瘫、偏瘫患者以及行走不便的老人等，这使得关爱、帮助残疾人越来越受到社会的关注，因而也成为一个重大的社会问题。外骨骼机器人是一种可穿戴的人机一体化智能系统，其将人类的“智力”与机电系统的“体力”完美结合，能够在康复训练和个人自主行走方面很好的满足以上患者的需求。外骨骼压力鞋是外骨骼与外界接触的窗口，通过压力鞋上的传感器不仅可以感知外骨骼自身的运动情况，如行走状态，重心位置等，还能感知外界情况，如所处的地形特征。本发明旨在发明一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统。
在本领域中，已经公开的技术专利公开号为CN 104856845 A的名为“一种适用于盲人的智能鞋”的专利，该系统在鞋底的某个部分铺设有多个压力传感器，用来感受压力信号，同时还包括存储芯片，用来存储事先在盲道上行走时传感器采集的信息特征，然后将现有压力传感器的信息特征与存储器里信息特征进行比对，从而确定盲人是否行走在盲道上。依据该专利所示，该专利能够识别盲人是否行走在盲道上，为盲人提供参考信息，同时，该专利也有一些不足之处：(1)鞋子的适用范围受到限制，适用于盲道，不能识别其他地面形态，比如草坪。(2)所述智能鞋适用于盲人穿着，不适用于外骨骼机器人，不能解算在行走过程中外骨骼的信息，如步态、重心位置变化等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于外骨骼压力鞋数据采集系统及方法；压力鞋通过嵌入在鞋底的压力传感器(FSR:Force Sening Resistor)采集在行走过程中外骨骼与地面的作用力，通过压力解算算法提取其主要特征；通过惯性测量单元(IMU：Inertial Measurement Unit)测量在行走过程中压力鞋的加速度，通过一次积分、二次积分解算出速度和位移，再结合相应的算法解算出外骨骼在行走过程中的步态。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，包括压力鞋鞋体，它还包括多个压力传感器和电路控制板；所述的电路控制板包括ARM微处理器、惯性测量单元、电信号检测和放大电路、无线通信电路，所述的电信号检测和放大电路、惯性测量单元的输出端与ARM微处理器连接，ARM微处理器的信号输出端与无线通信电路连接；所述的压力传感器嵌入压力鞋鞋体中，压力传感器的电信号输出端与电信号检测和放大电路连接，电信号检测和放大电路的输出端与ARM微处理器连接；所述的惯性测量单元包括多个惯性传感器，所述的惯性传感器的输出端与ARM微处理器连接；所述的ARM微处理器对压力传感器采集的数据进行处理，计算出穿戴者的重心位置；同时，ARM微处理器融合惯性测量单元和压力传感器采集的数据进行处理，计算出穿戴者的所处的地面特性、运动状态和步态。
所述的压力鞋鞋体由三层构成，从上而下依次为金属顶板、橡胶中间层和橡胶底板，压力传感器嵌入在橡胶中间层和橡胶底板之间；所述的橡胶中间层设置有凹槽，用于放置传感器橡胶垫，所述的传感器橡胶垫与压力传感器接触的一面设置有粘性物质，用于固定压力传感器；所述的压力鞋鞋体底部设置有电路控制板安装部件，所述的电路控制板安装部件通过安装孔与压力鞋鞋体连接。
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括电源单元和控制单元，所述的控制单元将电源单元的电压转换后分别向ARM微处理器、无线通信电路和压力传感器。
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括CAN通信电路，所述的CAN通信电路用于电路控制板与其他节点板之间的通信。
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统还包括串口通信电路，所述的串口通信电路用于下载调试程序和将数据传输给外部PC机，用于在线调试。
所述的压力传感器对称嵌入压力鞋鞋体中。
一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，包括以下步骤：
S1：压力传感器采集压力鞋与地面相互接触的作用力，压力信号通过放大后传ARM微处理器处理；
S2：多个惯性测量单元测量在行走过程中压力鞋的加速度，然后将数据传给ARM微处理器处理；
S3：ARM微处理器对压力传感器的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者的重心位置；
S4：ARM微处理器融合压力传感器和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者所处的地面特性；
S5：ARM微处理器融合压力传感器和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者行走的运动状态和步态；
S6：ARM微处理器通过无线通信单元将处理后的数据传给外部。
步骤S3中重心计算的具体实现如下：
根据公式(1)算出压力在X轴方向的零力矩点，根据公式(2)算出压力在Y轴方向的零力矩点；式中，Pix、Piy分别为传感器i在设定坐标系中的横、纵坐标位置，Fix、Fiy分别是传感器的压力，Px、Py分别是零力矩点在X、Y轴坐标位置，通过解算出零力矩点在X、Y轴坐标位置进而解算出穿戴者重心位置及其变化情况。
步骤S5中解算出穿戴者行走的运动状态和步态包括：
(1)站立状态：若左右脚压力传感器的数据相差不大，且其总和与人体的重力相差不大，惯性测量单元输出角度在某个值附近，则认为人体处于站立状态；
(2)行走迈右脚状态：若左脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而右脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(3)行走迈左脚状态：若右脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而左脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(4)坐立状态：若左脚压力鞋数据总合与右脚压力鞋数据总和相差不大，但是左右脚压力鞋数据总合远小于人体的重力，且惯性测量单元在某个数据附近，则认为此时穿戴者处于坐立状态；
(5)根据惯性测量单元数据变化的特性，包括穿戴者行走时数据的周期性变化，通过变化周期的快慢解算出穿戴者行走的频率，通过对前进方向上所测得加速度的积分能结算处穿戴者行走的速度。
步骤S4中解算出穿戴者所处的地面特性包括以下子步骤：
S41：让不同的正常人穿戴智能鞋在不同地面行走，进行大量的实验，分别采集压力传感器数据及其变化情况和惯性测量单元的数据及其变化情况；
S42：利用主成分分析法分别提取主要特征信息，以这些信息作为数据库；
S43：当患者穿上外骨骼行走时，分别采集压力传感器和惯性测量单元的数据，提取其主要特征，然后与数据库中信息进行匹配，进而识别穿戴者所处的地面特征。
本发明的有益效果是：本发明提供一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，能够识别外骨骼所处的地面特性，例如硬化水泥路、草坪等。为外骨骼控制系统提供地面信息，拓展了外骨骼的行走空间；本发明所指压力鞋数据采集系统能够检测外骨骼所自身处的运动状态(如坐立、站立、行走等状态)以及外骨骼行走时的行走步态，为外骨骼控制系统提供行走姿态数据，有助于外骨骼的稳定行走；本发明所指压力鞋数据采集系统使用2.4G无线通信，避免了复杂的有线连接，线路简单，同时对无线通信设定自己的通信协议，协议简单且抗干扰能力强，通信稳定。
附图说明
图1是本发明压力鞋数据采集系统的剖视图；
图2是本发明压力鞋数据采集系统控制电路板结构原理图；
图3是本发明压力鞋数据采集系统压力传感器分布示意图；
图4是本发压力鞋数据采集系统的方法流程图；
图中，101-金属顶板，102-橡胶中间层，103-橡胶底板，201-压力传感器，202-控制电路板安装位。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
图1是本发明压力鞋数据采集系统的剖视图，如图1所示，压力鞋鞋体由三层构成，从上到下依次为金属顶板101、橡胶中间层102、橡胶底板103。压力传感器201嵌入在橡胶中间层102和103橡胶底板之间，中间层中设有凹槽，用于放置传感器橡胶垫，橡胶垫与传感器接触一面有粘性，用于固定压力传感器，保证在行走过程中，传感器位置不会因为橡胶中间层和橡胶地板间的摩擦而变化，为重心解算提供精确的传感器位置坐标。
图2是本发明压力鞋数据采集系统的控制电路板结构原理图，电路控制板由ARM微处理器、压力传感器信号检测和放大电路、CAN通信电路、电源电路、2.4G无线通信电路、串口通信电路、惯性测量单元——IMU、蜂鸣器等组成。
压力传感器信号检测与放大电路用于检测传感器微弱电信号的变化，采用四通道放大器将其放大，然后将数据传给ARM微处理器处理；CAN通信用于控制电路板与其他节点板之间的稳定通信，便于没有无线通信功能的节点板读取压力鞋数据采集系统的数据或者压力鞋数据采集系统读取其他节点板的数据；电源电路通过对电源进行升压、滤波，将电源电压稳定到5.0V，一方面为CAN通信提供稳定电压，另一方面为后续电路提供稳定电压，通过降压电路后，将5.0V电压分别降到3.3V和-0.5V，3.3V为微处理器，串口通信、无线通信等提供稳定电压，-0.5V为压力传感器提供负的参考电压，大容量电源为整个智能鞋提供持续、稳定的电能，保证压力鞋数据采集系统能长时间工作；2.4G无线通信电路用于穿上外骨骼在行走过程中，压力鞋数据采集系统将压力传感器和IMU的数据融合处理后传给接收基站或者PC上位机，使用无线通信避免了复杂的有线连接，便于远距离行走数据传输，而且通过对实时传输数据的处理，能够清晰的显示外骨骼当前的运动曲线，便于观察；串口通信电路用于控制电路板与PC机之间直接传输数据，便于在线调试压力鞋数据采集系统，提高工作效率；IMU由多个惯性传感器组成，在行走过程中，IMU能精确的测量智能鞋的加速度，然后通过相应的算法解算出外骨骼行走的速度和位移，进一步解算出外骨骼行走步态，并且，通过相应的算法，能识别出外骨骼当前所处的地面形态。
图3是本发明压力鞋数据采集系统的压力传感器分布示意图，压力传感器均匀对称分布于鞋底(电路控制板安装位202没有传感器)，能最大限度的保证压力鞋与地面相互作用时压力信号的采集，在采集压力信号时，通过提高传感器的采样频率，能捕捉到穿戴者脚步的微小动作，确保数据采集的精确性，避免数据丢失；考虑到人体的对称性，利用传感器的对称分布有利于解算行走过程中外骨骼重心和步态算法的实现，减少微处理器的计算量提高计算速度。
具体过程如下：穿戴者穿上外骨骼行走时，压力传感器采集压力鞋与地面的相互作用力，并将数据传给微处理器处理；IMU测量行走过程中压力鞋的加速度大小，并将数据传给微处理器处理，微处理器结合相应的算法解算出行走过程中外骨骼的重心位置及其变化情况和压力鞋所处的地面环境；另一方面，微处理器通过相应的算法解算出在行走过程中，外骨骼所处的姿态和行走的步态。微处理器通过无线通信将解算的数据发给基站，基站再将接受到的数据传给上位机进行处理。
图4是本发明压力鞋数据采集系统的方法流程图，其实现方法包括以下步骤：
S1：压力传感器采集压力鞋与地面相互接触的作用力，压力信号通过放大后传给ARM微处理器处理；
S2：多个惯性测量单元测量在行走过程中，压力鞋的加速度，然后将数据传给ARM微处理器处理；
S3：微处理器对压力传感器的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者的重心位置，具体实现如下：
根据公式(1)算出压力在X轴方向的零力矩点，根据公式(2)算出压力在Y轴方向的零力矩点；式中，Pix、Piy分别为传感器i在设定坐标系中的横、纵坐标位置，Fix、Fiy分别是传感器的压力，Px、Py分别是零力矩点在X、Y轴坐标位置，通过解算出零力矩点在X、Y轴坐标位置进而解算出穿戴者重心位置及其变化情况。
S4:微处理器对压力传感器的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者所处的地面特性：
S41：让不同的正常人穿戴智能鞋在不同地面行走，进行大量的实验，分别采集压力传感器数据及其变化情况和惯性测量单元的数据及其变化情况；
S42：利用主成分分析法分别提取主要特征信息，以这些信息作为数据库；
S43：当患者穿上外骨骼行走时，分别采集压力传感器和惯性测量单元的数据，提取其主要特征，然后与数据库中信息进行匹配，进而识别穿戴者所处的地面特征。
S5：微处理器对IMU的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者行走的运动状态和步态：
(1)站立状态：若左右脚压力传感器的数据相差不大，且其总和与人体的重力相差不大，惯性测量单元输出角度在某个值附近，则认为人体处于站立状态；
(2)行走迈右脚状态：若左脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而右脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(3)行走迈左脚状态：若右脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而左脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(4)坐立状态：若左脚压力鞋数据总合与右脚压力鞋数据总和相差不大，但是左右脚压力鞋数据总合远小于人体的重力，且惯性测量单元在某个数据附近，则认为此时穿戴者处于坐立状态；
(5)根据惯性测量单元数据变化的特性，包括穿戴者行走时数据的周期性变化，通过变化周期的快慢解算出穿戴者行走的频率，通过对前进方向上所测得加速度的积分能结算处穿戴者行走的速度。
S6：微处理器通过2.4G无线通信部分将处理后的数据传给基站；
S7：基站接收处理器的数据，并通过CAN通信将所接收的数据传给上位机；
S8：上位机对接收到的数据进行处理，控制调整外骨骼行走姿态。
Claims (8)
1.一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，包括压力鞋鞋体，其特征在于：它还包括多个压力传感器(201)和电路控制板；所述的电路控制板包括ARM微处理器、惯性测量单元、电信号检测和放大电路、无线通信电路，所述的电信号检测和放大电路、惯性测量单元的输出端与ARM微处理器连接，ARM微处理器的信号输出端与无线通信电路连接；所述的压力传感器(201)嵌入压力鞋鞋体中，压力传感器(201)的电信号输出端与电信号检测和放大电路连接，电信号检测和放大电路的输出端与ARM微处理器连接；所述的惯性测量单元包括多个惯性传感器，所述的惯性传感器的输出端与ARM微处理器连接；所述的ARM微处理器对压力传感器(201)采集的数据进行处理，计算出穿戴者的重心位置；同时，ARM微处理器融合惯性测量单元和压力传感器(201)采集的数据进行处理，计算出穿戴者的所处的地面特性、运动状态和步态；
所述的压力鞋鞋体由三层构成，从上而下依次为金属顶板(101)、橡胶中间层(102)和橡胶底板(103)，压力传感器(201)嵌入在橡胶中间层(102)和橡胶底板(103)之间；所述的橡胶中间层(102)设置有凹槽，用于放置传感器橡胶垫，所述的传感器橡胶垫与压力传感器(201)接触的一面设置有粘性物质，用于固定压力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的电路控制板还包括电源单元和控制单元，所述的控制单元将电源单元的电压转换后分别向ARM微处理器、无线通信电路和压力传感器(201)。
3.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的电路控制板还包括CAN通信电路，所述的CAN通信电路用于电路控制板与其他节点板之间的通信。
4.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的电路控制板还包括串口通信电路，所述的串口通信电路用于下载调试程序和将数据传输给外部PC机，用于在线调试。
5.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集系统，其特征在于：所述的压力传感器(201)对称嵌入压力鞋鞋体中。
6.一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：压力传感器(201)采集压力鞋与地面相互接触的作用力，压力信号通过放大后传ARM微处理器处理；
S2：多个惯性测量单元测量在行走过程中压力鞋的加速度，然后将数据传给ARM微处理器处理；
S3：ARM微处理器对压力传感器(201)的数据进行处理，结合相应的算法解算出穿戴者的重心位置；
S4：ARM微处理器融合压力传感器(201)和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者所处的地面特性；
S5：ARM微处理器融合压力传感器(201)和惯性测量单元的数据，结合相应的算法解算出穿戴者行走的运动状态和步态；
S6：ARM微处理器通过无线通信单元将处理后的数据传给外部；
所述步骤S3中重心计算的具体实现如下：
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根据公式(1)算出压力在X轴方向的零力矩点，根据公式(2)算出压力在Y轴方向的零力矩点；式中，Pix、Piy分别为传感器i在设定坐标系中的横、纵坐标位置，Fix、Fiy分别是传感器的压力，Px、Py分别是零力矩点在X、Y轴坐标位置，通过解算出零力矩点在X、Y轴坐标位置进而解算出穿戴者重心位置及其变化情况。
7.根据权利要求6所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，其特征在于：步骤S5中解算出穿戴者行走的运动状态和步态包括：
(1)站立状态：若左右脚压力传感器的数据相差不大，且其总和与人体的重力相差不大，惯性测量单元输出角度在某个值附近，则认为人体处于站立状态；
(2)行走迈右脚状态：若左脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而右脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(3)行走迈左脚状态：若右脚压力鞋传感器的数据总合与人体的重力相差不大，而左脚的压力鞋传感器数据总和几乎为零，左右脚惯性测量单元数据分别在某个值附近，则认为穿戴者处于行走状态中的迈右脚状态；
(4)坐立状态：若左脚压力鞋数据总合与右脚压力鞋数据总和相差不大，但是左右脚压力鞋数据总合远小于人体的重力，且惯性测量单元在某个数据附近，则认为此时穿戴者处于坐立状态；
(5)根据惯性测量单元数据变化的特性，包括穿戴者行走时数据的周期性变化，通过变化周期的快慢解算出穿戴者行走的频率，通过对前进方向上所测得加速度的积分能结算处穿戴者行走的速度。
8.根据权利要求6所述的一种用于外骨骼压力鞋的数据采集方法，其特征在于：步骤S4中解算出穿戴者所处的地面特性包括以下子步骤：
S41：让不同的正常人穿戴智能鞋在不同地面行走，进行大量的实验，分别采集压力传感器数据及其变化情况和惯性测量单元的数据及其变化情况；
S42：利用主成分分析法分别提取主要特征信息，以这些信息作为数据库；
S43：当患者穿上外骨骼行走时，分别采集压力传感器和惯性测量单元的数据，提取其主要特征，然后与数据库中信息进行匹配，进而识别穿戴者所处的地面特征。
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